《表面工程》課件.ppt

材料表面工程（第五章）,李輝材料學(xué)院328第五章：表面工程技術(shù),5.1電鍍，化學(xué)鍍5.2熱噴涂5.3堆焊5.4高能束表面改性5.5氣相沉積,Before-dull,After-shiny,5.1電鍍、化學(xué)鍍,ShuffleyouriPodsLook,5.1電鍍、化學(xué)鍍,5.1電鍍、化學(xué)鍍,5.1.1電鍍過(guò)程及其反應(yīng),陰極反應(yīng)：Men+ne=Me2H+2e=H2,陽(yáng)極反應(yīng)：Me-ne=Men+。OH-4e=2H2O+O2,Men+,SO42-,Cl-,OH-,陰極上的電鍍過(guò)程包括三個(gè)步驟：（1）金屬的水合離子或絡(luò)離子從溶液內(nèi)部遷移到陰極表面;（2）金屬水合離子脫水或絡(luò)離子解離，金屬離子在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成金屬原子;（3）還原的原子進(jìn)入晶格結(jié)點(diǎn)。,5.1.1電鍍過(guò)程及反應(yīng),電鍍是指在直流電的作用下，電解液中的金屬離子還原，并沉積到零件表面形成有一定性能的金屬鍍層的過(guò)程。,5.1.1電鍍過(guò)程及反應(yīng),Electroplatingisaplatingprocessthatuseselectricalcurrenttoreducecationsofadesiredmaterialfromasolutionandcoataconductiveobjectwithathinlayerofthematerial,suchasametal.,電解液主要是水溶液，也有有機(jī)溶液和熔融鹽。金屬離子在水溶液中能否還原，不僅決定于其本身的電化學(xué)性質(zhì)，還決定于金屬的還原電位與氫還原電位的相對(duì)大小。若金屬離子還原電位比氫離子還原電位更負(fù)，則電極上大量析氫，金屬沉積極少。,5.1.1電鍍過(guò)程及反應(yīng),濕法電鍍?nèi)廴邴}電鍍,金屬離子還原析出的可能性是獲得鍍層的首要條件，要獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的鍍層，還要有合理的鍍液組成和合理的工藝控制。,5.1.1電鍍過(guò)程及反應(yīng),法拉第定律：第一定律：W=kIt=kQ式中，W：電極上形成的產(chǎn)物；I：電流；t:通電時(shí)間；Q:電量k:電化當(dāng)量，表示通過(guò)單位電量時(shí)電極上形成的產(chǎn)物量第二定律：k=C1Ee式中，C1：比例常數(shù)；Ee化學(xué)當(dāng)量,5.1.1電鍍過(guò)程及反應(yīng),當(dāng)電極上通過(guò)1法拉第電量時(shí)（1F=26.8A*h），電極反應(yīng)的產(chǎn)物為1摩爾。,電流效率=實(shí)際鍍層質(zhì)量/理論值如：鍍鎳時(shí)，陰極上的副反應(yīng)消耗部分電量：2H+2e-=H2氰化鍍銅和氰化鍍鋅時(shí)的效率：60-70%電鍍硬鉻效率：8-16%問(wèn)題：有沒(méi)有可能電流效率大于100%，什么情況下發(fā)生？,5.1.1電鍍過(guò)程及反應(yīng),電鍍?nèi)芤河泄潭ǖ某煞趾秃恳?，使之達(dá)到一定的化學(xué)平衡，具有所要求的電化學(xué)性能。鍍液構(gòu)成：1.主鹽和絡(luò)鹽：主鹽即沉積金屬的鹽類(lèi)，如硫酸銅、硫酸鎳等，絡(luò)鹽如鋅酸鈉、氰鋅酸鈉等；2.配合劑：配合劑與沉積金屬離子形成配合物，改變鍍液的電化學(xué)性質(zhì)和金屬離子沉積的電極過(guò)程，對(duì)鍍層質(zhì)量有很大影響，是鍍液的重要成分。常用配合劑有氰化物、氫氧化物、焦磷酸鹽、酒石酸鹽、氨三乙酸、檸檬酸等。3.導(dǎo)電鹽：其作用是提高鍍液的導(dǎo)電能力，降低槽端電壓提高工藝電流密度.例如鍍鎳液中加人Na2SO4。導(dǎo)電鹽不參加電極反應(yīng)，酸或堿類(lèi)也可作為導(dǎo)電物質(zhì)。4.添加劑：包括絡(luò)合物，平整劑，光亮劑等，在電解液中加入后，能明顯地改善鍍層的組織，使之平整，光亮，致密等。,5.1.2電鍍液組成,5.1.3電鍍的實(shí)施方式,1)掛鍍最常用的一種電鍍方式。將零件懸掛于用導(dǎo)電性能良好的材料制成的掛具上,然后浸沒(méi)于欲鍍金屬的電鍍?nèi)芤褐凶鳛殛帢O，在兩邊適當(dāng)?shù)木嚯x放置陽(yáng)極，通電后使金屬離子在零件表面沉積的一種電鍍方法。,2)滾鍍滾鍍是將欲鍍零件置于多角形的滾筒中，依靠零件自身的重量來(lái)接通陰極，在滾簡(jiǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)金屬電沉積。滾鍍最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率。設(shè)備維修費(fèi)用少且占地面積小，鍍件鍍層的均勻性好。但是，滾鍍的使用范圍受到限制：鍍件不宜太大和太輕；單件電流密度小，電流效率低,槽電壓高、槽液溫升快、鍍液帶出量大。,5.1.3電鍍的實(shí)施方式,3）刷鍍電刷鍍技術(shù)采用一專(zhuān)用的直流電源設(shè)備，電源的正極接鍍筆，作為刷鍍時(shí)的陽(yáng)極，電源的負(fù)極接工件，作為刷讀鍍時(shí)的陰極。鍍筆通常采用高純細(xì)石墨塊極材料，石墨塊外面包裹上棉花和耐磨的滌棉套。刷鍍時(shí)使浸滿鍍液的鍍筆以一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在工件表面上移動(dòng)，并保持適當(dāng)?shù)膲毫?。隨著刷鍍時(shí)間的增長(zhǎng)，鍍層逐漸增厚。,5.1.3電鍍的實(shí)施方式,電刷鍍的設(shè)備特點(diǎn)：電刷鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)單，一套設(shè)備可以完成多個(gè)鍍種的刷鍍。電刷鍍?cè)O(shè)備的用電量、用水量比槽鍍少很多，可以節(jié)約能源、資源。電刷鍍的工藝特點(diǎn)：鍍筆與工件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，散熱條件好，在使用大電流密度刷鍍時(shí)，不易使工件產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。鍍層的形成是一個(gè)斷續(xù)結(jié)晶過(guò)程，鍍筆的移動(dòng)限制了晶粒的長(zhǎng)大和排列，因而鍍層中存在大量的超細(xì)晶粒和高密度的位錯(cuò)，鍍層得到強(qiáng)化。鍍液能隨鍍筆及時(shí)供送到工件表面，大大縮短了金屬離子擴(kuò)散過(guò)程，不易產(chǎn)生金屬離子貧乏現(xiàn)象。加上鍍液中金屬離子含量很高，允許使用比槽鍍大得多的電流密度，因而鍍層的沉積速度快。使用手工操作，方便靈活，尤其對(duì)于復(fù)雜型面，凡是鍍筆能觸及到的地方均可鍍上，非常適用于大設(shè)備的不解體現(xiàn)場(chǎng)修理。,5.1.3電鍍的實(shí)施方式,4)連續(xù)電鍍主要用于薄板、金屬絲、帶的電鍍（鍍錫鋼板，鍍鋅薄板，鋼帶，電子元器件引線，鍍鋅鐵絲等）,5.1.3電鍍的實(shí)施方式,垂直浸入式水平運(yùn)動(dòng)式盤(pán)繞式.,電鍍時(shí)間較短；鍍液電流密度高；導(dǎo)電性好；沉積速度快；鍍液各成分變化不顯著對(duì)雜質(zhì)不敏感等。,5.1.3電鍍的工藝過(guò)程,電鍍工藝過(guò)程包括前處理、電鍍、后處理三大步：鍍前處理包括拋光或打磨、脫脂、除銹、活化等多道工序，鍍前處理質(zhì)量直接影響到鍍層與基體間的結(jié)合力和鍍層的完整性；鍍后處理則關(guān)系到鍍層的防護(hù)性和裝飾性效果；鍍后處理包括鈍化和浸膜：鈍化是在新鍍出的鍍層人為地形成一層致密的氧化物膜，使鍍層金屬與空氣隔絕，以提高鍍層的防護(hù)性和裝飾性。浸膜是在鍍后的零件表面浸涂一層有機(jī)或無(wú)機(jī)高分子膜，以提高鍍層的防護(hù)性和裝飾性,BasicElectro-platingProcess,IdentifyBaseMetal,Clean,AcidDescale&Activate,Pre-Plate,(Ifrequired),FinalPlate,PostTreatments,(AsSpecified),Rinse,Rinse,Rinse,Rinse,Rinse,Dry&Package,Step1,Step2,Step3,Step4,Step5,Step6,Step7,Step2R,Step3R,Step4R,Step5R,Step6R,ForExample:Steel,Cooper,Brass,ForExample:,Degrease,Soak,&,Electroclean,ForExample:,Hydrochloric,Sulfuric,orFluoboricAcids.,ForExample:,Cadmium,Chromium,Copper,Gold,Lead,Nickel.Silver,Solder,&,Tin,ForExample:,Chromates,Lacquers,&Seals,ForExample:Boxor,HotAirSpinDryers,ForExample:Copper,SulfamateNickel,or,Nickel,5.1.4影響電鍍層質(zhì)量的因素,1.鍍液的影響金屬離子等簡(jiǎn)單離子為主的鍍液-鍍層的結(jié)晶較粗；絡(luò)合物鍍液-鍍層結(jié)晶細(xì)致緊密；主鹽濃度高-濃差極化小-晶核形成速度降低-鍍層晶較粗；生產(chǎn)過(guò)程易對(duì)鍍液成分產(chǎn)生影響，,5.1.4影響電鍍層質(zhì)量的因素,2.電鍍規(guī)范的影響鍍液溫度升高-離子的擴(kuò)散速度提高-鍍層晶粒變粗；電流密度提高-陰極極化作用增大-鍍層致密-沉積速度加快，但過(guò)高的濃差極化會(huì)導(dǎo)致邊角部位鍍層變粗乃致燒焦。,5.1.4影響電鍍層質(zhì)量的因素,3.基體的影響零件在電鍍前的脫油、除銹是否徹底，將嚴(yán)重影響鍍層的性能.基體金屬的化學(xué)性質(zhì)與其和鍍層之間結(jié)合力密切相關(guān)。在某些電解液中，如果基體金屬的電位負(fù)于鍍層金屬，若不用其它鍍層過(guò)渡，就不容易獲得結(jié)合力良好的鍍層：零件內(nèi)孔、零件凹凸不平處（如鑄造件和粉末冶金件）易積留預(yù)處理的溶液、鍍件表面經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)黑色的斑點(diǎn)。,5.1.4影響電鍍層質(zhì)量的因素,4.析氫的影響在任何種電解液中，在金屬電沉積的同時(shí)都存在有氫離子的放電并析出氫氣，這種現(xiàn)象稱(chēng)為析氫：析氫經(jīng)常呈氣泡狀粘附在陰極的表面，從而阻止金屬在這些地方的沉積，產(chǎn)生針孔。析氫有進(jìn)入鍍層或基體金屬體內(nèi)，使鍍層的晶格扭曲，內(nèi)應(yīng)力增大，容易導(dǎo)致鍍層脫落或使鍍件脆裂；吸附在基體金屬內(nèi)的氫，在鍍件的存放或使用過(guò)程中，由于環(huán)境溫度的升高會(huì)慢慢從基體中釋放出來(lái)而導(dǎo)致鍍層鼓泡。,單金屬電鍍：指鍍液中只含有一種金屬離子，鍍后形成單一金屬鍍層的方法。常用的單金屬電鍍主要有鍍鋅、鍍銅、鍍鎳、鍍鉻、鍍錫和鍍鎘等；合金電鍍：在一種溶液中，兩種或兩種以上金屬離子在陰極上共沉積，形成均勻細(xì)致鍍層的過(guò)程叫做合金電鍍，目前主要應(yīng)用的是二元合金電鍍；復(fù)合電鍍：通過(guò)金屬電沉積的方法，將一種或數(shù)種不溶性的固體顆粒，均勻地夾雜到金屬層中所形成的特殊鍍層叫復(fù)合鍍層，這種利用金屬電沉積制備復(fù)合鍍層的方法叫復(fù)合電鍍。,5.1.5電鍍分類(lèi),電鍍應(yīng)用遍及經(jīng)濟(jì)建設(shè)和日常生活的多個(gè)領(lǐng)域防護(hù)性：耐腐蝕：如鋼鐵表面鍍鋅，食品容器表面鍍錫等抗磨和減磨：軸和輥、模具表面鍍鉻，軸瓦上鍍錫鉛合金功能性：抗高溫氧化：鍍鉻合金，Pt-Rh涂層磁性：Ni-Fe等涂層，導(dǎo)電性：鍍銅或者鍍銀消光或吸光：鍍黑鉻，黑鎳等裝飾性：防金鍍層，日用品零件外露的光澤涂層,5.1.6電鍍應(yīng)用,5.2化學(xué)鍍,化學(xué)鍍是在無(wú)電流通過(guò)（無(wú)外界動(dòng)力）時(shí)借助還原劑在同一溶液中發(fā)生氧化還原作用，從而使金屬離子還原沉積在零件表面上的一種方法。從本質(zhì)上講，化學(xué)鍍是一個(gè)無(wú)外加電場(chǎng)的電化學(xué)過(guò)程?；瘜W(xué)鍍的關(guān)鍵是還原劑的選擇和應(yīng)用，最常用的還原劑是次磷酸鹽和甲醛，近年來(lái)又逐漸采用硼氫化物以及氨基硼烷類(lèi)和類(lèi)衍生物等作為還原劑以便室溫操作和改變鍍層性能。,5.2.1化學(xué)鍍過(guò)程,在化學(xué)鍍中，溶液內(nèi)的金屬離子是靠得到由還原劑提供的電子而還原成相應(yīng)的金屬的。主要有三種方式：（1）置換沉積（浸鍍）：利用被鍍金屬的電位比沉積金屬負(fù)，將沉積金屬離子從溶液中置換在工件表面上。其化學(xué)反應(yīng)式為：Me1+Me2n+Me2+Me1m+（）接觸沉積（接觸鍍）：利用電位比被鍍金屬高的第三金屬與被鍍金屬接觸，讓被鍍金屬表面富積電子，從而將沉積金屬還原在被鍍金屬表面。其化學(xué)反應(yīng)實(shí)際上與上式相同，只是Me1不是基體金屬，而是第三金屬。（）還原沉積（化學(xué)鍍）：利用還原劑被氧化時(shí)釋放出的自由電子，把金屬沉積在金屬鍍件表面，其反應(yīng)過(guò)程為Me2n+ReMe+OX,化學(xué)鍍?nèi)芤海夯瘜W(xué)鍍銀、錫、鎳、銅、鈷、鎳合金液等。,5.2.1化學(xué)鍍液組成,化學(xué)鍍的特點(diǎn)是：（1）工藝簡(jiǎn)單，適應(yīng)范圍廣，不需要電源，不需要制作陽(yáng)極，只要一般操作人員均可操作；（2）鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度好；（3）成品率高，成本低，溶液可循環(huán)使用，副反應(yīng)少；（4）毒性小，有利于環(huán)保；（5）投資少，數(shù)百元設(shè)備即可，見(jiàn)效快。,5.2.2化學(xué)鍍的特點(diǎn),純金屬、合金及復(fù)合鍍層，可分為以下幾種：1.純金屬鍍層，有Cu、Sn、Ag、Au、Ru、Pd；2.二元合金化學(xué)鍍層：主要集中于Ni和Co分別與P和B形成的二元合金，如Ni-P、Ni-B；Co-P、Co-B；3.三元及多元合金化學(xué)鍍層：三元合金有Ni-M-P，Ni-M-B，Co-M-P（M=Ni、W、Mn）；四元合金有Ni-W-Sn-P、Ni-W-Sn-B、Co-Ni-Re-P、Co-Mn-Re-P。4.復(fù)合鍍層：金屬化合物，非金屬化合物，金屬微粒復(fù)合入鍍層，主要集中于Ni-P系鍍層。,5.2.3化學(xué)鍍的分類(lèi),1.化學(xué)鍍鎳及鎳合金：優(yōu)良的耐腐蝕性能，耐磨性能和釬焊性能如鋁質(zhì)散熱器具鍍上10m左右的鍍鎳層的有良好的釬焊性；標(biāo)準(zhǔn)件化學(xué)鍍鎳磷合金代替鍍鉻；化工設(shè)備零件化學(xué)鍍鎳磷合金耐酸腐蝕、采油機(jī)噴嘴化學(xué)鍍鎳磷合金防沖蝕；打字機(jī)串紙桿化學(xué)鍍鎳磷合金代替不銹鋼、挖掘機(jī)油泵活塞鍍鎳磷合金耐磨損；采油機(jī)柱塞和鉆桿化學(xué)鍍鎳磷合金防腐耐磨；等等；,5.2.3化學(xué)鍍的應(yīng)用,2.化學(xué)鍍銀主要用于電子部件的焊接點(diǎn)、印制線路板，以提高制品的耐蝕性和導(dǎo)電性能。還廣泛用于各種裝飾品，如裝配杯、高級(jí)旅行保溫杯、扣件等，鈹青銅在通訊行業(yè)應(yīng)用廣泛，為進(jìn)一步提高鈹青銅彈性的導(dǎo)